CN104607519B - 铝合金贮箱半球壳体成形方法 - Google Patents

铝合金贮箱半球壳体成形方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种铝合金贮箱半球壳体成形方法，包括，步骤1，加热芯模，将芯模加热至温度100至200℃；步骤2，将铝合金圆板用尾顶顶紧到所属芯模上；步骤3，旋压铝合金圆板至预设形状；旋压过程中第一道次从尾顶边缘处强旋，旋至球面半锥角45°时强旋结束，再经6～8道次普旋至板坯完全贴模；步骤4，卸下成形的铝合金旋压件；步骤5，将铝合金旋压件机械加工成为铝合金贮箱半球壳体。本发明无需预成形及中间热处理等辅助工序；通过工艺设计及精确控制，采用热强旋及热普旋的组合工艺，只使用一套旋压模，一次装夹，在一个数控程序内即可实现铝合金半球壳体的精密成形，从而缩短工艺流程，提高生产效率，并可大幅提高成形精度。

Description

铝合金贮箱半球壳体成形方法
技术领域
本发明针对机械结构制造成形领域，特别是涉及一种铝合金贮箱半球壳体成形方法。
背景技术
针对内径>Ф900mm，壁厚<1mm的大尺寸薄壁厚的铝合金半球壳体，加工原料直接成型为成品较为困难，且壁厚精度不易保证；较合理的成型方法是先成形毛坯再加工减薄。
半球毛坯成形有拉深和旋压两种工艺方法比较适合。较厚的板材拉深需要较大吨位设备，而且拉深需要的工序、模具较多，拉深完的毛坯壁厚不均匀且不易控制。而旋压由于是点接触，单位压力高，对于高强度难变形的材料旋压所需总变形力较小，设备吨位大大降低。旋压后的材料晶粒细小并具有纤维状特征，强度和硬度提高。相对于拉深，旋压还可以大大简化工艺和模具，旋压完的毛坯壁厚均匀，容易控制。因此，对于半球壳体毛坯成形，旋压比拉深更为适合。
国外针对大型贮箱的半球壳体采用旋压整体成形已有一些相关技术，如欧洲的阿里安-5型火箭的上面级贮箱球底采用2219铝板车加工不等壁厚后直接旋压成形为球底，后续不需要车加工或化铣；日本的H-2B火箭燃料箱箱底的直径为5.2m，是世界上最大的采用整体旋压成形技术制造的箱底，旋压工序间还要反复进行热处理、车加工，精加工到无变形高强度箱底。但是，欧洲的阿里安-5型火箭贮箱球底是铝板先车加工为不等壁厚后再进行旋压，日本的H-2B火箭箱底旋压工序之间还要进行热处理、车加工等辅助工序,工序较为复杂。
目前国内的大型贮箱半球壳体一般采用瓜瓣焊接，只有顶盖采用旋压成形，因此保留了纵向焊缝。而由铝合金平板直接整体旋压成直径>Ф900mm的航天用贮箱半球壳体还很少见，主要难点是变形抗力大，板料不易贴胎。现有技术的经验是采用圆板多道次冲压或旋压预成形，再进行旋压终成形，中间要进行退火热处理等工序。这些方法工序较多，既增加成本而且反复装夹后产品变形严重，精度不可避免有所下降。
发明内容
本发明要解决的技术问题为：提供一种新的铝合金贮箱半球壳体成形方法，克服现有技术中的方法工序较多，增加成本而且精度下降的问题。本发明直接采用等壁厚的铝板旋压成半球，再车加工为贮箱壳体；无需预成形及中间热处理等辅助工序，直接由铝板旋压成形。
本发明的技术方案为：
一种铝合金贮箱半球壳体成形方法，包括，步骤1，加热芯模，将芯模加热至温度100至200℃；步骤2，将铝合金圆板用尾顶顶紧到所属芯模上；步骤3，旋压铝合金圆板至预设形状；旋压过程中第一道次从尾顶边缘处强旋，旋至球面半锥角45°时强旋结束，再经6～8道次普旋至板坯完全贴模；步骤4，卸下成形的铝合金旋压件；步骤5，将铝合金旋压件进行机械加工成为铝合金贮箱半球壳体。
进一步地，还包括：步骤41，将步骤4得到的铝合金旋压件进行热处理，然后再进行机械加工。
进一步地，芯模为空心的并带有Ф100～150mm平底小端的模具。
进一步地，步骤3中，旋压过程中旋轮R角为20至30mm。
进一步地，步骤3中，在旋压过程中的最后一道次时停止加热，利用工件的余热和变形热完成最后一道次的旋压。
进一步地，旋压过程中的加热温度为280～350℃。
进一步地，步骤3中，旋压过程中最后一道次时，设置旋轮提前旋出，使口部形成一段法兰翻边。
进一步地，步骤3中，旋压过程中芯模转速为20～50r/min。
进一步地，步骤3中，旋压过程中强旋时旋轮进给比：f＝1至2，普旋时旋轮进给比：f＝2至4。
进一步地，步骤3中，旋压过程中道次变薄率为30％～45％。
本发明与现有技术相比的优点在于：
本发明采用圆板毛坯直接精密数控旋压成形铝合金半球壳体，无需预成形及中间热处理等辅助工序；通过工艺设计及精确控制，采用热强旋及热普旋的组合工艺，只需使用一套旋压模，一次装夹，在一个数控程序内即可实现铝合金半球壳体的精密成形，从而缩短工艺流程，提高生产效率，并可大幅提高成形精度。
附图说明
图1本发明的旋压过程中第二步骤的示意图；
图2本发明的旋压过程中第三步骤的示意图；
图3本发明的旋压过程中第四步骤的示意图。
具体实施方式
本发明提供一种大直径超薄壁铝合金贮箱半球壳体整体精密成形方法，该方法可以由铝合金圆板经一次装夹后在一个数控程序内得到符合要求的大直径铝合金贮箱半球壳体毛坯，产品尺寸精度高，生产效率高，实现了贮箱半球壳体的整体成形，并避免了纵向焊缝。
本发明的一种大直径超薄壁铝合金贮箱半球壳体整体精密成形方法，包括如下步骤：
步骤(一)、用氧-乙炔喷枪加热芯模，加热时间为10～30min，加热芯模温度至100～200℃。
步骤(二)、将下料车圆的铝合金圆板用尾顶顶紧在旋压芯模的小端平面上，具体为：按照体积不变原理，所述铝合金圆板的直径可由旋压后工件的体积计算得到，圆板的厚度为12～20mm，旋压芯模的型面为半球形+直线段，直径比贮箱半球壳体内径小4～6mm，内部为空心且小端带有Ф100～150mm的平底。
步骤(三)、加热铝合金圆板至280～320℃，开始按照设定程序进行旋压，具体为：芯模和铝合金圆板一起转动，转速为20～50r/min，芯模和板坯上都涂抹MoS2(二硫化钼)润滑，旋轮按照设定曲线进行纵向进给，旋压道次经多次实验确定为热强旋+热普旋(一道次强旋至球面半锥角45°+多道次普旋成形)。普通旋压(简称普旋)的特点是在变形过程中主要改变毛坯的直径(缩小或扩大)，壁厚变化很小；强力旋压(简称强旋)的特点是变形过程中伴随着毛坯壁厚明显的减薄。即本发明的方法第一道次是从尾顶边缘处强旋，旋至球面半锥角45°时强旋结束，再经6～8道次普旋至板坯完全贴模，道次减薄率：30～45％(道次减薄率指每道次的壁厚减薄率，即旋压变形前厚度减去变形后厚度/旋压变形前厚度)。从而减小了道次强旋变形量，避免了旋轮前材料堆积，材料贴模良好，未出现明显的法兰前倾。另外在旋压至距口部30mm时，可设置旋轮提前旋出，使口部形成一段法兰翻边，有利于后续车加工车削工艺定位台阶。在机床能力允许的情况下，在开始强旋的道次中采用小的进给比，而在普旋的道次中采用大的进给比，既有利于快速收径，也可以避免过多材料向切向流动导致的材料过分减薄，强旋时旋轮进给比：f＝1～2，普旋时旋轮进给比：f＝2～4。(旋轮进给比是芯模每转一转，旋轮纵向进给的距离，表示为旋轮纵向进给速度/芯模转速)旋压过程中应一直保持连续加热，保证工件温度在280～350℃。
步骤(四)、大直径贮箱半球壳体旋压贴模后，再脱模卸料较困难，而且冷却后严重缩径，外表面加工余量减小。为了避免这种不利现象的出现，旋压过程中最后一道次时停止加热，利用工件的余热和变形热完成最后一道次的旋压。旋压结束后，工件温度在200～250℃，工件可较容易脱模，待温度冷却到室温后，内型面完全能满足加工尺寸要求。然后按照要求进行热处理，再机械加工成大直径超薄壁贮箱半球壳体。
在上述大直径超薄壁铝合金贮箱半球壳体整体精密成形方法中，铝合金圆板抗拉强度σb≤220MPa。
在上述大直径超薄壁铝合金贮箱半球壳体整体精密成形方法中，旋压过程中旋轮R角为20～30mm(R指旋轮工作圆角半径)，采用双旋轮同步旋压。
以下给出一个具体的实施例，本实施例中贮箱半球壳体为2219铝合金，半球内径为Ф959～960mm，壁厚为以下为整体精密成形的具体过程：
步骤(一)、用氧-乙炔喷枪加热芯模，加热旋压芯模到100～200℃；
参见图1所示，步骤(二)、将2219铝合金退火态的圆板2用尾顶3顶紧在旋压芯模1上；圆板2的厚度为20mm，旋压芯模1的型面为半球形+直线段，直径为Ф954mm，内部为空心且小端带有Ф150mm的平底。
参见图2所示，步骤(三)、加热铝合金圆板2至300℃，开始按照设定程序进行旋压，转速为30r/min，芯模1和板坯上都涂抹MoS2润滑，旋压第一道次是从尾顶3边缘处强旋，旋至球面半锥角45°时强旋结束，再经6～8道次普旋至板坯完全贴模，道次减薄率：30％，其中在旋压距口部30mm时，可设置旋轮提前旋出，使口部形成一段法兰翻边，强旋时旋轮进给比：f＝1，普旋时旋轮进给比：f＝4。
参见图3所示，步骤(四)、在最后一道次时停止加热，利用工件的余热和变形热完成最后一道次的旋压。旋压结束后，退出尾顶3，卸下旋压工件4。成形后的半球内型面与理论型面样板单边间隙小于0.3mm，壁厚差小于0.3mm。按照要求进行热处理，然后对旋压工件4进行机械加工成内径为Ф960mm，壁厚为的大直径超薄壁贮箱半球壳体。
在上述大直径超薄壁铝合金贮箱半球壳体整体精密成形方法中，本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
(1)、本发明采用圆板毛坯直接精密数控旋压成形铝合金半球壳体，无需预成形及中间热处理等辅助工序；通过工艺设计及精确控制，采用热强旋+热普旋的组合工艺，只需使用一套旋压模，一次装夹，在一个数控程序内即可实现铝合金半球壳体的精密成形，从而缩短工艺流程，提高生产效率，并可大幅提高成形精度，成形后的半球内型面与理论型面样板单边间隙小于0.3mm，壁厚差小于0.3mm。
(2)、本发明实现了贮箱半球壳体的整体成形，避免了纵向焊缝，提高了产品可靠性，并解决了由铝合金圆板一次旋压成形大直径贮箱半球壳体过程中的变形抗力大、回弹大不易贴胎等技术难题。
(3)、本发明在旋压最后一道次时停止加热，利用工件的余热和变形热完成最后一道次的旋压，可节约能源，旋压结束后，工件温度在200～250℃，工件可较容易脱模，提高了工件装卸效率，待温度冷却到室温后，内型面完全能满足加工尺寸要求。
(4)、本发明在旋压最后一道次时，在旋压距口部30mm时，设置旋轮提前旋出，使口部形成一段法兰翻边，有利于后续机加工车削工艺定位台阶，为后续机加工提供高质量的保证。
(5)、本发明工艺简单，易于实现，具有较强的实用性。

Claims (10)

1.一种铝合金贮箱半球壳体成形方法，其特征在于，包括，
步骤1，加热芯模(1)，将所述芯模(1)加热至温度100至200℃；
步骤2，将铝合金圆板(2)用尾顶(3)顶紧到所述芯模(1)上；
步骤3，旋压所述铝合金圆板(2)至预设形状；旋压过程中第一道次从尾顶边缘处强旋，旋至球面半锥角45°时强旋结束，再经6～8道次普旋至板坯完全贴模；
步骤4，卸下成形的铝合金旋压件(4)；
步骤5，将所述铝合金旋压件(4)进行机械加工成为铝合金贮箱半球壳体。
2.根据权利要求1所述的铝合金贮箱半球壳体成形方法，其特征在于，
还包括：步骤41，将步骤4得到的铝合金旋压件(4)进行热处理，然后再进行机械加工。
3.根据权利要求1所述的铝合金贮箱半球壳体成形方法，其特征在于，
所述芯模(1)为空心的并带有Ф100～150mm平底小端的模具。
4.根据权利要求1所述的铝合金贮箱半球壳体成形方法，所述步骤3中，旋压过程中旋轮R角为20至30mm。
5.根据权利要求1所述的铝合金贮箱半球壳体成形方法，其特征在于，
所述步骤3中，在旋压过程中的最后一道次时停止加热，利用工件的余热和变形热完成最后一道次的旋压。
6.根据权利要求1所述的铝合金贮箱半球壳体成形方法，其特征在于，
旋压过程中的加热温度为280～350℃。
7.根据权利要求1所述的铝合金贮箱半球壳体成形方法，其特征在于，
所述步骤3中，旋压过程中最后一道次时，设置旋轮提前旋出，使口部形成一段法兰翻边。
8.根据权利要求1所述的铝合金贮箱半球壳体成形方法，其特征在于，所述步骤3中，旋压过程中芯模(1)转速为20～50r/min。
9.根据权利要求1所述的铝合金贮箱半球壳体成形方法，其特征在于，所述步骤3中，旋压过程中强旋时旋轮进给比：f＝1至2，普旋时旋轮进给比：f＝2至4。
10.根据权利要求1所述的铝合金贮箱半球壳体成形方法，所述步骤3中，旋压过程中道次变薄率为30％～45％。
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